基于大下倾角天线的原理及应用分析

梁松柏，何雪峰，宋安伟（.中国联通河南分公司，河南郑州450045；.京信通信系统（中国）有限公司，河南郑州450045）

1 背景

目前，中国城市随经济发展规模不断扩大，市区高楼林立，无线传播环境越来越复杂；移动互联网呈现蓬勃发展态势，据统计，2014 年全国互联网用户达到6.49亿人，而通过手机开展移动互联网业务的人数达到4 亿，基于手机等移动终端的各类数据业务应用应运而生。

为满足用户各种业务需求和带宽需求，以CDMA技术为基础的WCDMA 网络建设进入成熟期，同时基于OFDM 技术的4G 网络建设也进入井喷期。1.8～2.6 GHz 的高频段导致空间传播损耗大；大容量的单站需求和1∶1 的频率复用模式导致干扰成为最严峻问题。复杂的城市环境、市区站距的逐步收缩、建设期基于利旧原有站址的粗放天线规划设计选型模式以及天线安装位置兼顾原有网络覆盖导致不合理等因素交织在一起，网络覆盖控制越来越难，越区覆盖问题严重影响通信质量。

为了减少越区覆盖，当前网络常用以下优化方案。

a）降低天线挂高：效果显著，但受制于业主等外部因素，工程难以实施。

b）降低天线发射功率：能够改善越区覆盖，但同时也降低了覆盖区场强，影响原区域的覆盖效果。

c）调节天线机械和普通电子倾角（10°以下）：需要人工上塔调整，费时费力；下倾过大时，方向图投影会产生畸变，造成周边邻区的干扰。

基于以上情况，亟需制定一种覆盖可控、增益保持、性能高效、优化效率高的天线方案。

2 大下倾天线的实现

2.1 机械天线与电调天线

天线下倾主要是为了提高覆盖目标的电场强度，当前移动网络天线下倾分为机械下倾和电子下倾，如图1所示。机械天线通过调整螳螂臂与天线抱杆的角度实现电场辐射图形的改变；而电调天线是在天线内部安装一个或多个移相器，移相器可以上下移动来改变馈电网络的长度和电流分布；通过改变相邻振子之间的相位，使得从输入端口到各个输出端口的信号存在差异，从而改变垂直分量、水平分量的幅值大小及合成分量场强强度，从而使天线的垂直方向图下倾。因天线各方向场强可同时增大和减小，在一定范围内改变倾角，天线方向图变化不大，并可缩短主瓣方向覆盖距离，在减小服务小区扇区内覆盖面积的同时不产生干扰。

图1 机械天线（左）和电调天线（右）的下倾方向图

如图2 和图3 所示，电调天线下倾角度在1～5°范围，其天线方向图与机械天线相同；当下倾角度在5～10°范围，其天线方向图优于机械天线；当下倾角度在10～15°范围，机械天线波形严重变形，而电调天线方向图形状改变基本能满足覆盖和干扰控制要求；当要求天线下倾大于15°时，普通电调天线波形也存在变形严重的问题。

因此，电调天线相对于机械天线具有倾角步长精度高（便于精细优化）、三阶互调指标低（有利于消除邻频干扰和杂散干扰）等优点。但业内普通的电调天线范围多为10°左右，辅以一定的机械下倾角，仍无法满足城区恶劣环境下的覆盖、干扰控制。

2.2 大下倾电调天线的实现

图2 机械天线在不同下倾角时的水平波瓣图

图3 电调天线在不同下倾角时的水平波瓣图

电调天线技术是实现大下倾天线的基础。为实现天线水平波瓣的大下倾，需对现有业内电调天线技术进行进一步的优化和结合。因此，实现大下倾电调天线的2 个关键技术：一是通过对馈电网络线缆的长度及电流的静态配置，实现10～15°范围的内（预）置下倾角，此倾角不可优化；二是再通过高精度移相器优化下倾角10～12°。基于此，目前业内大下倾天线范围多为20～25°。

对于常规电调天线而言，随着倾角的增大，天线指标会有不同程度的恶化。大下倾天线的实现，必定带来一定性能上的损失和技术难点，比如第一上旁瓣增强干扰如何抑制，天线前后比过小，一定程度的波束变形，增益损失或不稳定等辐射指标恶化问题。因此需要通过其他技术，来确保大下倾角天线各项指标达标。

2.2.1 增益控制技术

2.2.1.1 优化垂直面组阵的单元间距

优化垂直面组阵的单元间距，可有效抑制0～180°栅瓣指标，提升阵列方向系数。

式中：

θ——观察角度（或天线方向图测量角度），取值范围是［0，2π］

f(θ)——单元方向图加权因子

k ——自由空间波束，k=2π/波长

K——单元个数

d——单元间距

式中：

θ0——波束最大直线或天线方向图垂直面下倾角度，取固定值［0，7，12］进行优化设计，以便得到最大的增益值

根据阵列方向图公式中表现出的方向图叠加原理，可以通过单元方向图加权、单元间距优化和激励系数优化多种技术手段实现栅瓣抑制。如图4所示通过单元方向图加权f(θ) 抑制栅瓣，效果明显。

图4 单元方向图加权抑制前、后栅瓣效果

2.2.1.2 采用多端口移相器

采用多端口移相器，每个辐射单元连接一个移相单元，确保每个振子的波束指向与阵列波束指向一致。根据阵列理论，当kd(sin θ-sin θ0)=2πp 成立时会出现栅瓣，使用多端口移相器，缩小相位变化端口的物理距离d，达到抑制栅瓣的目的。

2.2.1.3 采用进口低损耗介质材料和低损耗传输线

采用进口低损耗介质材料和低损耗传输线，可有效降低网络损耗，提升增益指标。

2.2.2 水平波束调偏技术

辐射阵列采用并馈辐射单元。根据电磁波辐射原理，在天线阵列波束指向大下倾条件下，在水平面组阵的半波振子间人为加入一定相位干预实现方向图调偏。

2.2.3 低互调控制技术

交调产物（IMP）用下式表示：

式中：

f1、f2——输入天线的基波频率

m、n——包括1在内的正整数

m+n 为IMP 的阶数，当m+n=3 时，则为三阶交调。产生三阶互调的原因是金属的非线性连接导致输入到天线的基波产生非线性叠加。

移相器设计采用介质移动实现相位连续可调功能，相比于金属移动移相，互调指标量级更低、更稳定；同时采用机器人自动化焊接，避免人为操作的焊点虚焊、漏焊等导致的非线性连接。

2.3 大下倾电调天线应用场景

外场大下倾天线更换主要使用在下面3种场景。

a）美化型天线基站：内置电子下倾角覆盖控制效果不明显，而机械下倾角无法调整或调整空间有限。

b）超近基站：密集型场所，如大学校园区域、城中村区域，重叠覆盖难度大。

c）超高站址基站：信号覆盖过远，普通天馈调整后效果较差，下倾角调整过大，会导致覆盖方向图变形。

3 大下倾天线实验室性能指标

3.1 不同倾角下的覆盖仿真

如表1 所示，调节天线电子倾角可以实现主波束覆盖范围的收缩，通过仿真计算，增大天线电调倾角可以使主覆盖区域收缩近50%。

表1 不同倾角下主波束纵向覆盖范围仿真值对比

3.2 驻波比测试数据、变化量

表2示出的是驻波比性能情况。

3.3 三阶交调测试数据、变化量

表3 三阶互调性能情况

3.4 隔离度测试数据、变化量

表4 隔离度性能情况

3.5 下倾25°辐射特性

4 外场应用情况

某联通外场天线选型设计粗放，GSM、LTE 1 800及WCDMA 系统主要以65°18 dBi 天线为主，下倾角（电调和机械之和）可调范围为0～14°。在某些天线挂高较大的站点，常规天线已无法满足控制越区的需要，特别是LTE 1 800 超高与超近基站越区和重叠覆盖，造成模三干扰和同PCI 干扰严重。因此必须增大天线倾角，拟通过采用大下倾天线（天线型号：0DV2-065R18K-G；工作频段：1 710～2 170 MHz；下倾角：内置电下倾角13～25°）解决。

4.1 城区美化塔场景应用

某路口F基站，采用美化塔，35 m高，覆盖控制难，更换前下倾角13°（机械3°+电子10°），有效覆盖434 m，对相邻基站影响较大，更换大下倾天线后第三扇区有效覆盖217 m左右，没有越过相邻基站，避免模三干扰的产生。效果如图5和图6所示。

在有效覆盖范围内，大下倾天线覆盖控制更均匀，虽然电平没有太大的改善，但是SINR 指标，特别是在小区覆盖边缘优于传统天线近10 dB，有效地抑制了干扰，速率提升了2～3倍。

4.2 城区超高站场景应用

某公寓F 站高75 m，属于超高基站，经过RF 调整后发现，仍存在越区，覆盖波形产生了畸变，对周边基站影响严重。更换前覆盖范围516 m，更换后覆盖约200 m左右。效果如图7和图8所示。

在有效覆盖范围内，大下倾天线通过0波瓣填充，上旁瓣抑制，近场覆盖控制增强，解决了“塔下黑”问题，SINR 指标近场提升40%～200%，速率提升了2～5倍。

4.3 城区超近站场景应用

某城中村周边，基站密度较大，400 m 范围内有4个LTE 基站，其中X 站优化后仍越区覆盖区域内Z 道路，对Y站造成干扰。在有效覆盖范围内，X站更换大下倾天线后，Y站实现对Z道路有效覆盖，SINR指标和速率均有提升，最高提升幅度达5倍。具体见图9和图10。

5 结束语

城区基站建设面临基站布局密度高、选点难、超高/超近基站多、无线环境复杂、覆盖控制难等问题，为实现网络有效覆盖和干扰控制，提出了一种大下倾电调天线解决方案，剖析了其实现原理和关键技术，通过实验室仿真和外场应用验证，充分证明了大下倾电调天线解决方案的有效性。可在城区因地制宜、因网制宜选用。推荐在用户密集区域，站高超过25 m，站距小于200 m，选用13～25°电子天线；主干道等场景站高超过40 m，站距小于600 m，选用0～25°电调天线。

图6 更换天线前后下载速率对比（美化塔）

［1］ Erik Dahlman，Stefan Parkvall，Johan Skold.4G 移动通信技术权威指南［M］.堵久辉，缪庆育译.北京：人民邮电出版社，2005.

图8 更换天线前后下载速率对比（超高站）

图9 更换天线前后下载速率对比（超近站）

图10 更换天线前后的RSRP和SINR对比（超近站）

［2］ HarriHolma，AnttiToskala.UMTS中的WCDMA—HSPA演进及LTE［M］.5版.杨大成，译.北京：机械工业出版社，2011.

［3］ 王有为，徐志宇，夏国忠. WCDMA 特殊场景覆盖规划与优化［M］.北京：人民邮电出版社,2011.

［4］ 3GPP TS 25.101 User Equipment（UE）radio transmission and re⁃ception（FDD）［S/OL］.［2015- 05- 05］. ftp://ftp.3gpp.org/Specs/2014-03/Rel-9/25_series/.

［5］ 窦中兆，雷湘.WCDMA 系统原理与无线网络优化［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［6］ 张建华，王莹.WCDMA 无线网络技术［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［7］ 徐志宇，韩玮，蒲迎春.HSDPA技术原理与网络规划实践［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［8］ 麦罗拉.蜂窝移动通信工程设计［M］.聂涛，王京，李承耀，译.北京：人民邮电出版社，1997.

［9］ 张平.WCDMA移动通信系统［M］.北京：人民邮电出版社，2004.

［10］ITU-R P.1238-6-2009 Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems and radio local ar⁃ea networks in the frequency range 900 MHz to 100 GHz［S/OL］.［2015-06-05］. http://www.catr.cn/catr/catr/itu/itur/iturlist.jsp?doc⁃place=P&vchar1=P.1238-6.

［11］郭东亮. WCDMA 规划设计手册［M］. 北京：人民邮电出版社,2005.

［12］赛西亚，陶菲克，贝克.LTE/LTE-Advanced-UMTS 长期演进理论与实践［M］. 马霓，夏斌，译.北京：人民邮电出版社，2012.

［13］克劳斯，马赫夫克.天线（下册）［M］.章文勋，译.北京：电子工业出版社，2011.